Simulationssoftware für Kabel/Schläuche Wie flexibel sind sie?

Eine Bordnetz-Software berücksichtigt nun Flexibilitätsanforderungen.
Eine Bordnetz-Software berücksichtigt nun Flexibilitätsanforderungen.

Das Bordnetz ist eine kilometerlange Kabel- und Schlauchkombination, die über das gesamte Fahrzeugleben funktionsfähig sein sollte. CAD-Konstruktionen, die auf starren Geometrien beruhen, sind nicht mehr zeitgemäß. Eine Software des Fraunhofer ITWM berücksichtigt nun Flexibilitätsanforderungen.

Die Berücksichtigung flexibler Bauteile, wie Kabel und Schläuche, ist für die Fahrzeugindustrie bereits im Produktentstehungsprozess von großer Bedeutung. Das Bordnetz ist ein in der Regel mehrere Kilometer langes System aus vielen unterschiedlichen Kabel- und Schlauchkombinationen, die sich nach geometrischen und physikalischen Eigenschaften klassifizieren lassen.

So erfolgt die Einteilung der Verkabelung beispielsweise nach Form und Länge oder Steifigkeiten und Längendichte. Kabelbündel, zusammengefasst aus einzelnen Kabeln mit Tüllen, Kabelbindern und Klebeband, werden mit Verbindungselementen untereinander und mit umliegenden Bauteilen verknüpft. Häufig basiert die CAD-Konstruktion einzelner Kabel oder Kabelstränge auf einer starren Geometrie mit angenommener räumlicher Form. Solche starren CAD-Leitungen entsprechen oft nicht der tatsächlichen Form realer, elastisch deformierbarer Bauteile. Zusätzliche Versuche an Hardware-Prototypen sichern in diesen Fällen die Verkabelungskonstruktion ab. Die Tests stehen allerdings im Widerspruch zu den übergeordneten Zielen der Entwicklungszeitverkürzung und dem Minimieren physischer Absicherungsaufwände.

Über einen Entwicklungszeitraum von zehn Jahren arbeiteten das Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) und das Fraunhofer-Chalmers Center for Industrial Mathematics (FCC) gemeinsam an der Software. Mit IPS Cable Simulation ist es jetzt möglich, das gesamte Bordnetz mit sämtlichen Kabeln und Kabelbündeln weitestgehend simulationsgestützt auszulegen, zu optimieren und abzusichern. Folgende Entwicklungsziele standen im Vordergrund:

  • Die Bewegung und Verformung von Schläuchen, Kabeln und Kabelbäumen muss physikalisch korrekt abbildbar sein.
  • Die Software soll alle Aspekte der geometrischen Absicherung, der produktionstechnischen Absicherung sowie der Absicherung bezüglich des Betriebsverhaltens berücksichtigen.
  • Die Benutzeroberfläche soll einfach und intuitiv bedienbar sein, sodass nicht ausschließlich Strukturmechanik-Experten die Software einsetzen können.
  • Die Software soll leistungsfähig sein, um interaktive Echtzeit-Simulationen zu ermöglichen.

Die Ziele wurden mit IPS Cable Simulation vollständig erreicht. Die theoretischen Grundlagen bilden das Modellierungskonzept auf Basis der geometrisch exakten Balkentheorie [1, 2], Methoden der diskreten Differenzialgeometrie [3, 4] und eine auf das Modell zugeschnittene variationelle Diskretisierung [5].

Modellerstellung und physikalische Bauteileigenschaften

Die Modellierung eines Kabels ermöglicht IPS Cable Simulation über zwei Bearbeitungswege:

  • CAD-Import mit automatischer Flexibilisierung
  • Automatische Routing-Funktion, auf Basis von Anfangs- und Endkonfiguration, Halterungspositionen und Abstandsrandbedingungen

In beiden Anwendungsfällen sind dem Kabel oder Kabelbündel noch physikalische Eigenschaften, wie Steifigkeiten und Längendichte, zuzuordnen. Zur effizienten messtechnischen Datenermittlung entwickelte, konstruierte und baute das ITWM das patentierte Messsystem MeSOMICS (Measurement System for the Optically Monitored Identification of Cable Stiffnesses). Die Identifikation von Kabelsteifigkeiten erfolgt automatisch im System. Neben klassischen Messgrößen, wie Kräfte und Momente, beinhaltet die Messung auch eine optische Auswertung der jeweiligen Biegelinien. Das System ist speziell für eine einfache Handhabung und automatische Datenauswertungen ausgelegt. Zudem zeichnet sich die neu entwickelte Biegeprüfung durch einen großen Gültigkeitsbereich und das Einstellen praxisrelevanter kleinster Krümmungsradien aus. Eine Auswertung, basierend auf einem nichtlinearen Strukturmodell, identifiziert aus den aufgenommenen Daten die jeweiligen Steifigkeiten. In die Auswertung fließen sämtliche aufgenommenen Größen, wie Kräfte, Momente und Verschiebungen, sowie die genannten optischen Aufnahmen ein. So ermöglicht die Analyse ein sehr robustes algorithmisches Vorgehen. Darüber hinaus wird die gemessene Biegesteifigkeit unmittelbar durch eine theoretisch ermittelte Biegelinie verifiziert. Somit liefert MeSOMICS einen vollständigen Satz an Steifigkeiten für die numerische Simulation in IPS Cable Simulation.